Nature丨科學家揭秘lncRNA NORAD維持基因組穩定性的新機制

人類基因組包含數千種長鏈非編碼RNAs,但目前僅發現大約十幾種lncRNAs有特定的生物功能和生化機制。另外,關于lncRNA維持基因組穩定的作用還知之甚少。因此,研究者找到了一個探索lncRNA維持基因組穩定性的理想分子——NORAD,原因是NORAD相對于其他lncRNAs高度保守,在許多細胞類型中大量表達,并且在DNA損傷時其表達上調,當敲除NORAD時還可誘導染色體不穩定性和非整倍性。

在此前的研究中,德克薩斯大學西南醫學中心的Joshua T. Mendell課題組在Cell上發表了題為Noncoding RNA NORAD Regulates Genomic Stability by Sequestering PUMILIO Proteins的研究論文,報道了lncRNA NORAD(由DNA損傷激活的非編碼RNA)對于維持基因組穩定性的必要性,但卻未闡明其分子機制。此外,還報道了PUMILIO作為一種高度豐富的細胞質RNA結合蛋白,在基因組穩定性方面沒有已知作用,是唯一的NORAD相互作用蛋白。

A NORAD-PUMILIO Axis that Regulates Genomic Stability

對此,哈佛-麻省理工學院 Broad研究所Eric S. Lander課題組提出疑問:上述結果是從外源性NORAD片段與細胞質提取物在體外混合所得到的,這可能不能準確代表NORAD在活細胞中的蛋白質聯系。

8月27日,Eric S. Lander課題組在Nature上在線發表了題為The NORAD lncRNA assembles a topoisomerase complex critical for genome stability的研究論文。提出NORAD和RBMX之間的相互作用對于NORAD功能至關重要,并且NORAD是組裝先前未知的拓撲異構酶復合物NARC1所必需的,這有助于維持基因組穩定性。此外,還發現了一種長鏈非編碼RNA先前未知的功能,即lncRNA具有調節RNA結合蛋白組裝高階核糖核蛋白復合物的能力。

研究者結合RNA反義純化和質譜定量分析,鑒定出了直接與活細胞中NORAD相互作用的蛋白質。發現許多NORAD相互作用蛋白(包括RBMX及其逆轉錄酶RBMXL1等)在核過程中具有關鍵作用,例如DNA解旋、復制和修復。并且有71%定位于細胞核、核質或染色質,而只有5%僅定位于細胞質中。暗示NORAD具有重要的細胞核功能。

此外,smRNA FISH實驗證實平均有40-50%的NORAD轉錄本存在于細胞核中,與此前報道的NORAD僅定位于細胞質中相反。并且當細胞受到DNA損傷和復制應激時,NORAD上調并且其核定位顯著增加(至約85%)。

特別地,研究者注意到NORAD與RBMX相互作用,并且在轉錄組中含有最強的RBMX結合位點。RBMX作為DNA損傷反應的組分,其敲除表型與先前報道的NORAD敲除表型密切相關。研究者推斷NORAD和RBMX之間的相互作用可能對NORAD功能至關重要。隨后,證明了NORAD控制RBMX組裝核糖核蛋白復合物的能力-該復合物稱之為NORAD活化的核糖核蛋白復合物1(NARC1),含有已知的抑制基因組不穩定性拓撲異構酶I(TOP1)、ALYREF和PRPF19-CDC5L復合物。

隨后,研究者將細胞中的NORAD或RBMX敲除后,發現染色體分離缺陷的頻率增加,復制叉速度降低和細胞周期進展改變,這代表了與TOP1和PRPF19-CDC5L功能機制相關的表型。另外,發現NORAD在反式中的表達可以挽救NORAD缺失所引起的缺陷,但是當NORAD中的RBMX結合位點缺失時,挽救則大大受損。

最后,研究者表示NORAD促進NARC1組裝的確切機制可能包括:(1)誘導RBMX的構象變化;(2)將大量RBMX分子募集到其5'末端以產生蛋白質相互作用支架;(3)利用其他直接相互作用使NARC1成員近距離接觸。并且除了結構特征外,NORAD還具有不同尋常的功能特征,因為NORAD在細胞核中的定位可以由DNA損傷觸發,這可以使細胞快速組裝NARC1或重新定位預組裝復合物,而無需額外的蛋白質合成。

參考文獻:

1. Lee S, Kopp F, Chang T C, et al. Noncoding RNA NORAD regulates genomic stability by sequestering PUMILIO proteins[J]. Cell, 2016, 164(1): 69-80.

2.Munschauer M, Nguyen CT, Sirokman K, et al. The NORAD lncRNA assembles a topoisomerase complex critical for genome stability[J]. Nature, 2018.

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